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Polarisation

Dieser Artikel befasst sich mit der Polarisation von Transversalwellen. Andere Bedeutungen sind unter Polarisation (Begriffsklärung) aufgeführt.

Die Polarisation ist eine Eigenschaft optischer Wellen, welche die Richtung des Feldvektors des elektrischen Feldes beschreibt, und zwar im Vakuum oder in optisch-isotropen Medien (Gasen, Flüssigkeiten, kubischen Kristallen) in Bezug auf den Wellenvektor . Sie beschränkt sich auf Transversalwellen (unter den angegebenen Voraussetzungen sind optische Wellen immer transversal). Bei nicht-kubischen Kristallen gibt es Abweichungen, die zu dem Phänomen der Doppelbrechung führen. Bei longitudinalen Wellenphänomenen, z. B. sog. Plasmaschwingungen oder Kompressions-Schallwellen, kann kein Polarisationsphänomen auftreten, da die Schwingung in Ausbreitungsrichtung (das ist die Richtung des k-Vektors) erfolgt.

Inhaltsverzeichnis

Polarisationsarten

Eine Transversalwelle ist durch zwei Richtungen charakterisiert: Den Wellenvektor, der in Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Feldvektor des elektrischen Feldes, der unter den angegebenen Voraussetzungen immer senkrecht auf dem Wellenvektor steht. Das lässt jedoch im dreidimensionalen Raum noch einen Rotationsfreiheitsgrad offen, nämlich die Rotation um den Wellenvektor. Man unterscheidet drei Arten von Polarisation, die man durch Richtung und Betrag des Feldvektors in einem festen Raumpunkt beschreiben kann:

linear polarisierte Welle
zirkular polarisierte Welle
elliptisch polarisierte Welle

Lineare und zirkulare Polarisation können auch als Grenzfälle der elliptischen Polarisation aufgefasst werden, umgekehrt lässt sich aber auch jede elliptische Polarisation als eine Überlagerung einer linear- und einer zirkularpolarisierten Welle beschreiben.

Der Hintergrund dieser Tatsache ist, dass die Polarisation einer beliebigen Transversalwelle mit drei Größen vollständig beschrieben ist. Dies sind die Projektion des Feldvektors auf zwei orthogonale Achsen senkrecht zum Wellenvektor und der Phasenunterschied zwischen diesen beiden Projektionen. Die beiden orthogonalen Achsen können fest im Raum stehen (z. B. „horizontal“ oder „vertikal“), sie können aber auch um den Wellenvektor rotieren (rechts- oder linkszirkular).

Überlagerung

Jede beliebige Polarisation kann als Überlagerung zweier Basispolarisationen dargestellt werden. Häufig werden die folgenden beiden Varianten verwendet:

  1. Zwei linear polarisierte Wellen deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen, werden überlagert. Abhängig von der Phasenbeziehung und dem Intensitätsverhältnis der beiden Wellen ergeben sich folgende Ausgangspolarisationen:
  2. Zwei zirkular polarisierte Wellen, eine rechts- und eine linksdrehend, werden überlagert. Abhängig von der Phasenbeziehung und dem Intensitätsverhältnis der beiden Wellen ergeben sich folgende Ausgangspolarisationen:
Die rote und die blaue Welle stellen linear polarisiertes, die schwarze zirkular polarisiertes Licht dar

Polarisation elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Wellen, also auch Lichtwellen, sind – wie erwähnt – unter den angegebenen Voraussetzungen Transversalwellen. Zur Beschreibung ihrer Polarisation bezieht man sich üblicherweise auf das elektrische Feld und lässt das magnetische, das senkrecht auf dem elektrischen steht, außer Acht. In zirkularpolarisiertem Licht zeigen die Spins aller Photonen in dieselbe Richtung. Dennoch kann auch ein einzelnes Photon linearpolarisiert werden, indem zwei entgegengesetzt zirkularpolarisierte Zustände überlagert werden.

Unpolarisiertes Licht kann nur durch Überlagerung inkohärenter Wellen erzeugt werden.

Erzeugung polarisierter Mikrowellen

Nachrichten- und Fernsehsatelliten nutzen entweder zwei verschiedene lineare Polarisationsebenen (horizontal/vertikal) oder zwei zirkulare Polarisationsrichtungen (links- oder rechtsdrehend), um die knappen, für den Satellitenfunk zur Verfügung stehenden Frequenzbänder besser ausnützen zu können.

Linear polarisierte Mikrowellen werden dadurch erzeugt, dass der Sendedipol entweder „horizontal“ oder „vertikal“ ausgerichtet ist. Die so erzeugten Mikrowellen sind in der Ebene polarisiert, in der sich der Sendedipol befindet. Zum Empfang der linear polarisierten Signale muss sich der Empfangsdipol in der Ebene befinden, in der die zu empfangende Welle schwingt.

Radiowellen niederer Frequenzen werden fast immer polarisiert abgestrahlt. Die Art der Polarisierung hängt von der Ausrichtung der Antenne ab. Sender im UHF/VHF-Bereich arbeiten – von Mobilfunksendern abgesehen – im Regelfall mit horizontaler Polarisation, da hierbei weniger Störungen auftreten. Im Kurzwellenbereich sind sowohl horizontale wie auch vertikale Polarisation üblich. Sender im Längst-, Lang- und Mittelwellenbereich arbeiten fast durchweg mit vertikaler Polarisation, da diese eine bessere Ausbreitung der Bodenwelle ermöglicht.

Zirkularpolarisation wird für Rundfunkzwecke nur selten angewandt. Sie wird für Steilstrahlantennen im Mittelwellenbereich manchmal verwendet.

Mathematische Beschreibung der Polarisation

Der Polarisationszustand kann durch die vierdimensionalen reellwertigen Stokes'schen Vektoren oder durch die zweidimensionalen komplexwertigen Jones'schen Vektoren beschrieben werden. Quasimonochromatisches Licht kann alternativ auch durch die Kohärenzmatrix beschrieben werden. Die Beschreibung der Wirkung eines polarisationsverändernden optischen Elementes erfolgt dann durch Multiplikation mit einer entsprechenden Müller-Matrix beziehungsweise einer Jones-Matrix.

Siehe auch

 Wiktionary: polarisieren – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik
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